激光跟蹤測量係統（Laser Tracker System）是工業(ye) 測量係統中一種高精度的大尺寸測量儀(yi) 器。它集合了激光幹涉測距技術、光電探測技術、精密機械技術、計算機及控製技術、現代數值計算理論等各種先進技術，對空間運動目標進行跟蹤並實時測量目標的空間三維坐標。它具有高精度、高效率、實時跟蹤測量、安裝快捷、操作簡便等特點，適合於(yu) 大尺寸工件配裝測量。SMART310是Leica公司在1990年生產(chan) 的第一台激光跟蹤儀(yi) ，1993年Leica公司 又推出了SMART310的第二代產(chan) 品，其後，Leica公司還推出了LT/LTD係列的激光跟蹤儀(yi) ，以滿足不同的工業(ye) 生產(chan) 需要。LTD係列的激光跟蹤儀(yi) 采用了Leica公司專(zhuan) 利的絕對測距儀(yi) ，測量速度快，精度高，配套的軟件則在Leica統一的工業(ye) 測量係統平台Axyz下進行開發，包括經緯儀(yi) 測量模塊、全站儀(yi) 測量模塊、激光跟蹤儀(yi) 測量模塊和數字攝影測量模塊等^[8]。

    激光跟蹤係統在我國的應用始於(yu) 1996年，上飛、沈飛集團在我國第一次引進了SMART310激光跟蹤係統；2005年上海盾構公司引進了Leica公司的一套LTD600跟蹤測量係統，應用於(yu) 三維管模的檢測。

1.2 激光跟蹤測量係統的基本原理^[52]

    近年來，激光跟蹤測量係統的應用領域在不斷擴大，很多公司都相繼推出了各自品牌的激光跟蹤儀(yi) ，但所有的激光跟蹤測量係統基本都是由激光跟蹤頭（跟蹤儀(yi) ）、控製器、用戶計算機、反射器（靶鏡）及測量附件等組成的。在本文中，實驗采用的是LTD600激光跟蹤測量係統（圖2.1），因此具體(ti) 討論的基本原理是基於(yu) LTD600型的激光跟蹤測量係統。

圖2.1 LTD600激光跟蹤測量係統

1.2.1係統的組成

    激光跟蹤儀(yi) 的實質是一台能激光幹涉測距和自動跟蹤測角測距的全站儀(yi) ，區別之處在於(yu) 它沒有望遠鏡，跟蹤頭的激光束、旋轉鏡和旋轉軸構成了激光跟蹤儀(yi) 的三個(ge) 軸，三軸相交的中心是測量坐標係的原點。它的結構原理如圖2.2所示。係統的硬件主要組成部分包括：傳(chuan) 感器頭、控製器、電動機和傳(chuan) 感器電纜、帶LAN電纜的應用計算機以及反射器。

(1) 傳(chuan) 感器頭：讀取角度和距離測量值。激光跟蹤器頭圍繞著兩(liang) 根正交軸旋轉。每根軸具有一個(ge) 編碼器用於(yu) 角度測量和一隻直接供電的DC電動機來進行遙控移動。傳(chuan) 感器頭的油缸包含了一個(ge) 測量距離差的單頻激光幹涉測距儀(yi) （IFM），還有一個(ge) 絕對距離測量裝置（ADM）。激光束通過安裝在傾(qing) 斜軸和旋轉軸交叉處的一麵鏡子直指反射器。激光束也用作為(wei) 儀(yi) 器的平行瞄正軸。挨著激光幹涉儀(yi) 的光電探測器（PSD）接收部分反射光束，使跟蹤器跟隨反射器。

圖2.2 激光跟蹤儀(yi) 結構原理圖

(2) 控製器: 包含電源、編碼器和幹涉儀(yi) 用計數器、電動機放大器、跟蹤處理器和網卡（圖2.3）。跟蹤處理器將跟蹤器內(nei) 的信號轉化成角度和距離觀測值，通過局域網卡將數據傳(chuan) 送到應用計算機上，同理從(cong) 計算機中發出的指令也可以通過跟蹤處理器進行轉換再傳(chuan) 送給跟蹤器，完成測量操作。

圖2.3 控製器

(3) 電纜：傳(chuan) 感器電纜和電動機電纜分別用來完成傳(chuan) 感器和電動機與(yu) 控製器之間的連接。LAN#p#分頁標題#e#電纜則用於(yu) 跟蹤處理器和應用計算機之間的連接。

(4) 應用計算機：經過專(zhuan) 業(ye) 人員的配置後，加載了工業(ye) 用的專(zhuan) 業(ye) 配套軟件，用來發出測量指令和接收測量數據。

(5) 反射器：采用球形結構，因此測量點到測量麵的距離是固定的。本係統中采用三麵正交鏡的三重鏡反射器。

(6) 氣象站：記錄空氣壓力和溫度。這些數據需要用來在計算激光反射時是必需的，並通過串行接口被傳(chuan) 送給聯機的計算機應用程序,如圖2.4。

圖2.4 氣象站

(7) 測量附件：包括三角支架、手推服務小車等。支架用來固定激光跟蹤儀(yi) ，調整高度，保證各種測量模式的穩定性，且三角支架底座帶輪子，可方便地移動激光跟蹤儀(yi) 。手推服務小車則可裝載控製器等設備，運送方便快捷。

1.2.2係統的基本原理^[7]

    激光跟蹤測量係統的工作基本原理是在目標點上安置一個(ge) 反射器，跟蹤頭發出的激光射到反射器上，又返回到跟蹤頭，當目標移動時，跟蹤頭調整光束方向來對準目標。同時，返回光束為(wei) 檢測係統所接收，用來測算目標的空間位置。簡單的說，激光跟蹤測量係統的所要解決(jue) 的問題是靜態或動態地跟蹤一個(ge) 在空間中運動的點，同時確定目標點的空間坐標。

    激光跟蹤儀(yi) 的坐標測量是基於(yu) 極坐標測量原理的（圖2.5）。測量點的坐標由跟蹤頭輸出的兩(liang) 個(ge) 角度，即水平角H和垂直角V，以及反射器到跟蹤頭的距離D計算出來的。本係統在實際應用中采用的一站法激光跟蹤測量係統。

圖2.5 一站法激光跟蹤儀(yi) 坐標測量原理

計算公式為(wei) ：

              （2.1）

    係統的工作原理從(cong) 以下幾個(ge) 部分進行討論：

（1） 角度測量部分：其工作原理類似於(yu) 電子經緯儀(yi) 、馬達驅動式全站儀(yi) 的角度測量裝置，包括水平度盤、垂直度盤、步進馬達及讀數係統，由於(yu) 具有跟蹤測量技術，它的動態性能較好。

（2） 距離測量部分：由IFM裝置和ADM裝置分別進行相對距離測量和絕對距離測量。IFM是基於(yu) 光學幹涉法的原理，通過測量幹涉條紋的變化來測量距離的變化量，因此隻能測量相對距離。而跟蹤頭中心到鳥池（圖2.6）的距離是已知固定的，稱為(wei) 基準距離。ADM裝置的功能就是自動重新初始化IFM，獲取基準距離。ADM通過測定反射光的光強最小來判斷光所經過路徑的時間，來計算出絕對距離。當反射器從(cong) 鳥池內(nei) 開始移動，IFM測量出移動的相對距離，再加上ADM測出的基準距離，就能計算出跟蹤頭中心到空間點的絕對距離。

圖2.6 鳥池

（3） 激光跟蹤控製部分：由光電探測器（PSD）來完成。反射器反射回的光經過分光鏡，有一部分光直接進入光電探測器，當反射器移動時，這部分光將會(hui) 在光電探測器上產(chan) 生一個(ge) 偏移值，光電探測器根據偏移值會(hui) 自動控製馬達轉動直到偏移值為(wei) 零，實現跟蹤反射器的目的。

1.2.3激光跟蹤儀(yi) 的測量精度和係統誤差校準方法

激光跟蹤儀(yi) 的測量精度主要取決(jue) 於(yu) 測角和測距的精度以及測量環境的影響。以#p#分頁標題#e#Leica公司的LTD600型激光跟蹤儀(yi) 為(wei) 例，它的角度分辨率為(wei) 0.14″，角度測量精度達2.0″；單頻光外差幹涉法測量距離的分辨率為(wei) ，距離的測量精度達，其精度主要受到溫度和氣壓測量精度和變化及大氣條件均勻性的影響，同時，幹涉法距離測量的精度還受到基準距離校準精度的影響，因為(wei) 基準距離校準誤差將會(hui) 成為(wei) 幹涉測距的係統誤差；ADM絕對測距儀(yi) 采用光偏振的工作原理，它的距離測量分辨率達，在全量程範圍內(nei) 的距離測量精度為(wei) ；跟蹤儀(yi) 最大量測距離為(wei) ，水平方向的量測範圍達，垂直方向的量測範圍為(wei) 。

    在測量範圍內(nei) ，IFM相對坐標測量精度達到 (即)；ADM絕對坐標測量精度達到 (即)。當然係統精度還取決(jue) 於(yu) 工作場地和環境的穩定性，一般要求在室內(nei) 較穩定的工作條件下。

    之前提過激光跟蹤儀(yi) 的三軸，理論上，三軸之間是要保持正交關(guan) 係，但由於(yu) 實際的機械加工，安裝調整誤差和電子零點誤差等影響，軸係間不可能到達理想的正交狀態，這也是係統誤差存在的原因。

    在李廣雲(yun) 教授的論文^[8]中指出，按物理意義(yi) 激光跟蹤儀(yi) 角度測量的係統誤差分為(wei) 15類，即有15個(ge) 校準參數，分別是：水平軸傾(qing) 斜誤差i、旋轉鏡傾(qing) 斜誤差c、激光束傾(qing) 斜誤差lx和ly、水平軸偏移誤差e、旋轉鏡偏移誤差f、激光束偏移誤差Ox和Oy、平行玻璃板偏移誤差O2x和O2y、垂直度盤指標差j、水平度盤偏心差Ex和Ey、垂直度盤偏心差Kx和Ky。這些係統誤差的檢驗類似於(yu) 經緯儀(yi) 或全站儀(yi) 的檢驗，並且在配套的係統軟件中已經添置了專(zhuan) 門的儀(yi) 器校準程序，操作人員隻要將測定的誤差參數存於(yu) 應用計算機中，在實際作業(ye) 中這些參數會(hui) 被自動傳(chuan) 送到跟蹤儀(yi) 控製器中，用來補償(chang) 修正各類測角測距觀測值。為(wei) 了簡化操作過程，在激光跟蹤儀(yi) 出廠前廠家同時給出了一組校準後的參數供用戶參考，但考慮到重新安裝、環境變化、長途運輸等因素的影響，用戶也應自行檢測。校準方法可參考經緯儀(yi) 等的校準，具體(ti) 的方法可參考儀(yi) 器出廠的使用說明書(shu) 。

    不同於(yu) 經緯儀(yi) 或全站儀(yi) ，跟蹤儀(yi) 中有個(ge) 基準距離，即跟蹤頭中心到鳥池的距離，基準距離的測定誤差稱為(wei) 基距誤差C，它屬於(yu) 測距係統誤差。基距誤差的測定方法在文獻[7]中提出，選取兩(liang) 個(ge) 穩定點1、2，兩(liang) 點相距3～4m，確保兩(liang) 點基本與(yu) 跟蹤頭處於(yu) 同一高度，在A，B兩(liang) 點分別設站，分別觀測1、2點的水平角、垂直角、距離三類共12個(ge) 觀測值，根據餘(yu) 弦定理可以計算出C值。

    具體(ti) 計算公式為(wei) ：

（2.2）

兩(liang) 式並整理得：

               （2.3）

式中，

 （2.4）

   在實際計算基距誤差中，根據圖#p#分頁標題#e#2.7所示，在A、B兩(liang) 站分別觀測1、2兩(liang) 點，按式(2.3)可以計算得出基距誤差C。

圖2.7 基準距離校準方法

    實際上，C的值是基準距離的變化部分與(yu) 反射器常數之和，所以對於(yu) 不同類型的反射器，C的值也會(hui) 發生變化，對於(yu) 不同的反射器需要分別進行校準。

1.2.4係統的應用

    激光跟蹤儀(yi) 配備了高精度的水平和垂直角度編碼器，實現精確的角度測量；專(zhuan) 利的徠卡激光幹涉儀(yi) 實現精確的相對距離測量；高精度的絕對測距儀(yi) 則實現快速檢測。這些特點彌補了對大型構件的傳(chuan) 統測量方法——經緯儀(yi) 法的不足之處，例如人工測量的效率相對較低、觀測精度差等缺點。激光跟蹤測量係統測量範圍大、攜帶方便、對環境要求不高、適合現場作業(ye) 等優(you) 點，使它的應用領域逐漸擴大。

    在重型機械製造業(ye) 中，大尺寸部件的檢測和逆向工程常采用激光跟蹤測量係統。在零部件生產(chan) 中，該係統可以快速精確地檢驗每個(ge) 成品零部件的尺寸是否與(yu) 設計尺寸完全一致，同時迅速地數字化零部件的物理模型，得到的數字化文件可以用各種方法處理從(cong) 而得出測量結果。在機械領域中，逆向工程(Reverse Engineering)是在沒有設計圖紙或者設計圖紙不完整以及沒有CAD模型的情況下，按照現有零件的模型（稱為(wei) 零件原形），利用各種數字化技術及CAD技術重新構造原形CAD模型的過程。CMM是逆向工程中的接觸式測量方法，由於(yu) 激光跟蹤測量係統的原理也是基於(yu) 三維坐標測量的方法，所以這套係統也在逆向工程中應用。激光跟蹤測量係統對工件模型進行掃描測量後建立數據模型，由數據模型生成可以被加工中心識別的加工程序，從(cong) 而加工出模具^[9]。

三維管片和模具測量係統就是激光跟蹤測量係統的一個(ge) 工程實踐應用（圖2.8），通過跟蹤測量已經製成成品的管片各麵上的空間點的坐標，經過坐標係轉換糾正，將各麵上的數據點擬合成平麵或曲麵，檢驗管片的尺寸與(yu) 設計尺寸的偏差，以便判斷成品的質量是否合格。比起傳(chuan) 統的檢測測量方法，此套係統測量速度快，能在短時間內(nei) 采集大量空間數據點信息，同時可以直接處理數據，給出成果報表，工作效率高，也大大節省了人力物力，一般隻需要一個(ge) 計算機操控人員及一個(ge) 手持反射器移動的作業(ye) 人員。該套係統同樣也適用於(yu) 製造管片的模具的測量檢測。

圖2.8 三維管片和模具測量係統

    在汽車工業(ye) 領域中，激光跟蹤測量係統常用來在線檢測車身、測量汽車外形、汽車工裝檢具的檢測與(yu) 調整。在文獻[10]中舉(ju) 出了汽車外形測量的實例，通過激光跟蹤儀(yi) 采集汽車不同部位的點雲(yun) 數據，再進行拚接得到完整的汽車曲麵點雲(yun) 數據，利用三維造型軟件得到汽車三維模型，在測量過程中，應調整好激光跟蹤儀(yi) 與(yu) 汽車的相對位置，盡量減小角向測量長度，提高汽車點雲(yun) 數據精度。如果激光跟蹤儀(yi) 能配合輕便型三坐標測量機等精密測量設備連接測量，則能對汽車輪廓等大型零件表麵不易測量的凹槽等部位進行測量，得到較高精度的汽車點雲(yun) 數據，提高汽車車身曲麵擬合的精度。

    另外，汽車的生產(chan) 線都需要以最高級別的自動化程度和準確性進行定期檢測，以進行重複性和適產(chan) 性的測試。激光跟蹤測量係統這種移動坐標測量設備，適合工業(ye) 現場使用，在檢測工程中使汽車生產(chan) 的停工期大幅縮短，在生產(chan) 線上的工裝、夾具和檢具也能進行精密的現場檢測。Leica的LTD800激光跟蹤測量係統已經在萊比錫工廠的BMW新車試生產(chan) 階段運用於(yu) 生產(chan) 線工具裝備的檢測中（圖2.9）^[55]。

圖2.9 LTD800在萊比錫工廠的BMW新車試生產(chan) 階段的應用

    在航天航空製造業(ye) 領域，飛行器具有外形尺寸及重量大、外部結構特殊、部件之間相互位置關(guan) 係要求嚴(yan) 格等特點。飛行器的裝配通常是在各部件分別安裝後再進行總體(ti) 裝配，在部裝的某些環節和總裝的整個(ge) 過程中都需要進行嚴(yan) 格的檢測。在飛行器裝配過程中的測量誤差可能會(hui) 導致很嚴(yan) 重的後果，因此必須要確保航天航空領域測量的精確性。激光跟蹤測量係統的現場性和實時性以及它的高精度性都滿足了飛機行架的定位安裝，飛機外形尺寸的檢測，零部件的檢測，飛機的維修等工程項目的需要。#p#分頁標題#e#

測量一架大型飛機的內(nei) 外形尺寸，首先要確定整架飛機的空間坐標，保證所要測量到的外形尺寸空間點都在一個(ge) 坐標係中，要求布置足夠的測站，這些測站就保證了飛機上、下、左、右、前、後等整個(ge) 外形都在激光跟蹤儀(yi) 測量範圍內(nei) 。其次要保證飛機處於(yu) 靜止狀態，測量過程中不能產(chan) 生移動。激光跟蹤儀(yi) 在每一個(ge) 測站測量某一個(ge) 區域的飛機外形坐標點，將各個(ge) 測站的飛機外形坐標連接起來就構成整架飛機的外形尺寸坐標，將這些點處理後就形成了飛機外形的數字模型。激光跟蹤測量係統掃描範圍大，采集數據速度快，數據采集量大，精度高，大大提高了工作效率（圖2.10）。

圖2.10 飛機外形尺寸的測繪

    在造船工業(ye) 領域中，激光跟蹤測量係統常用於(yu) 輪船外形尺寸的檢測，重要部件安裝位置的檢測，逆向工程等。激光跟蹤測量係統的高精度，激光束射程遠，在製造業(ye) 、機械業(ye) 、質量控製業(ye) 領域對於(yu) 大型部件、機械零件的測量檢測能更有效地實現。

圖2.11 輪船外形尺寸的檢測              圖2.12 輪船外形

    在科研領域中，激光跟蹤測量係統已在機器人的製造校準過程使用。機器人在工廠機械安裝、馬達驅動安裝、夾具重組等整個(ge) 生產(chan) 周期過程中如果能維持它的精確度，那麽(me) 它才是一個(ge) 成功的工業(ye) 機器人。機器人的設計尺寸與(yu) 實際生產(chan) 尺寸的偏差往往在8-15mm之間，主要是由於(yu) 機械公差和部件安裝時所產(chan) 生的誤差所引起的。在校準機器人的實際應用中，有兩(liang) 個(ge) 相鄰的工作測量組，一組負責裝配機器人，一組則負責檢測校準安裝部件，激光跟蹤測量係統則安置在這兩(liang) 個(ge) 測量組之間。操作人員通過計算機控製定位，激光跟蹤測量係統可以檢測兩(liang) 個(ge) 工作小組的測量工作。在一組操作人員利用激光跟蹤儀(yi) 檢測機器人配件的同時，另一組工作人員則負責裝配已經經過檢測的工件，裝配完後再利用激光跟蹤儀(yi) 進行校準。依此類推，大幅提高了機器人生產(chan) 安裝的工作效率，也節省人力物力